© Copyright by PZWL Wydawnictwo Lekarskie, Warszawa 2019

Wszystkie prawa zastrzeżone.

Przedruk i reprodukcja w jakiejkolwiek postaci całości bądź części książki bez pisemnej zgody wydawcy są zabronione.

Autor i Wydawnictwo dołożyli wszelkich starań, aby wybór i dawkowanie leków w tym opracowaniu były zgodne z aktualnymi wskazaniami i praktyką kliniczną. Mimo to, ze względu na stan wiedzy, zmiany regulacji prawnych i nieprzerwany napływ nowych wyników badań dotyczących podstawowych i niepożądanych działań leków, Czytelnik musi brać pod uwagę informacje zawarte w ulotce dołączonej do każdego opakowania, aby nie przeoczyć ewentualnych zmian we wskazaniach i dawkowaniu. Dotyczy to także specjalnych ostrzeżeń i środków ostrożności. Należy o tym pamiętać, zwłaszcza w przypadku nowych lub rzadko stosowanych substancji.

Wydawca: Stella Nowośnicka-Pawlitko
Redaktor prowadzący: Monika Gołaszewska
Redaktor: Zespół
Producent: Anna Bączkowska

Projekt okładki i stron tytułowych: Kalina Możdżyńska/worksbyKalina.com

Ilustracja (mózg): Hendrasu/Shutterstock

Skład wersji elektronicznej na zlecenie PZWL Wydawnictwa Lekarskiego

Katarzyna Ossowska/Woblink

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2019 r., (wyd. I)

Warszawa 2019

ISBN 978-83-200-5841-3

PZWL Wydawnictwo Lekarskie

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 695 43 21

www.pzwl.pl

Księgarnia wysyłkowa:

tel. 42 680 44 88; infolinia: 801 33 33 88

e-mail: wysylkowa@pzwl.pl

O Autorze

Janusz W. Błaszczyk jest absolwentem Wydziału Elektroniki Politechniki Warszawskiej, a całą swoją działalność naukową związał z neurobiologią. Jest profesorem neurofizjologii oraz biomechaniki. W centrum jego zainteresowań znajdują się zagadnienia kontroli motorycznej w ośrodkowym układzie nerwowym. Doświadczenia zdobyte w trakcie wieloletniej pracy w najlepszych światowych ośrodkach naukowych stały się punktem zwrotnym w jego karierze naukowej. W szczególności wiedza zdobyta w amerykańskich Narodowych Instytutach Zdrowia (NIH) w Bethesdzie zapoczątkowała jego badania nad schematami działania mózgu. Następnie, kierując Laboratorium Zachowań Motorycznych na Uniwersytecie Wisconsin-Madison (USA), rozpoczął pionierskie badania nad zaburzeniami posturalnymi i motorycznymi w przebiegu starzenia się mózgu oraz u pacjentów z chorobą Parkinsona. W rezultacie stał się światowym ekspertem w tej dziedzinie.

Profesor Błaszczyk jest autorem ponad 200 prac naukowych opublikowanych w prestiżowych czasopismach naukowych, a także pierwszego w Polsce podręcznika Biomechanika kliniczna, który spotkał się z entuzjastycznym przyjęciem przez Czytelników. Jego dorobek publikacyjny obejmuje bardzo szerokie spektrum neurobiologii, od nowatorskich metod diagnostycznych, po neurocybernetykę, fizjologię pamięci i emocji oraz etiologię chorób neurodegeneracyjnych.

Przez wiele lat prowadził badania nad funkcjonowaniem systemu motywacyjno-emocjonalnego, jego wpływem na formowanie śladów pamięciowych oraz statusu emocjonalnego mózgu.

Podsumowaniem tych wszystkich doświadczeń jest niniejsza książka, skierowana zarówno do profesjonalistów, zwłaszcza lekarzy, fizjoterapeutów, biologów i cybernetyków, jak i do zwykłych Czytelników interesujących się tą tematyką.

Autor w przystępny sposób, dokonując przeglądu największych światowych odkryć naukowych w dziedzinie neurofizjologii, prezentuje aktualny stan wiedzy na temat starzenia się mózgu i zachodzących z wiekiem zmian neurozwyrodnieniowych.

Podsumowaniem przeglądu jest – obecnie weryfikowana na całym świecie – hipoteza zmian metabolicznych w mózgu jako głównej przyczyny chorób neurozwyrodnieniowych. Zrozumienie tych problemów pozwoli Czytelnikowi świadomie i skutecznie wpływać na procesy starzenia się jego mózgu i dzięki temu zminimalizować ryzyko rozwoju chorób neurodegeneracyjnych, a zwłaszcza choroby Alzheimera i choroby Parkinsona. Jak się obecnie wydaje, schorzeń tych nie można leczyć, lecz można im zapobiegać. Autor pozostawia nas z nadzieją, że dzięki pochodnym witaminy B_3 wkrótce zostanie spowolniony, a nawet odwrócony narastający trend rozwoju chorób neurodegeneracyjnych.

Spis treści

Przedmowa

Wykaz najważniejszych skrótów

1. Mózg nieznany

Fenomen życia

Metabolizm informacyjny

Mózg a aktywność ruchowa

2. Komórki i sieci nerwowe

Neurony

Glej

Pamięć motoryczna

System nigrostriatalny

Neurogeneza w mózgu dorosłego człowieka

3. Metabolizm i homeostaza mózgu – krucha równowaga

Ogólnoustrojowa kontrola metabolizmu

Hormonalna regulacja metabolizmu energetycznego

Metabolizm energii a stan psychiczny

Metabolizm energii na poziomie komórkowym

Synergie życia

Gospodarka wodna i kontrola objętości neuronów

Dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD)

Enzymy zależne od NAD

4. Jak starzeje się mózg?

Czynniki wpływające na starzenie się mózgu

Kryzys energetyczny

5. Zaburzenia funkcji nerwowych i choroby neurodegeneracyjne

Choroba Alzheimera

Etiologia i patogeneza

Choroba Parkinsona

Degeneracja neuronów dopaminergicznych istoty czarnej

Rola procesów neurodegeneracji i neurogenezy w plastyczności prążkowia

Choroba Huntingtona

Stwardnienie zanikowe boczne

6. Degeneracja i regeneracja włókien nerwowych

7. Perspektywy leczenia chorób neurodegeneracyjnych

Insulinooporność

Mleczan i hipoaktywność

Układ krążenia

Interakcja nigrostriatalna

Proteinopatie

Systemowy metabolizm energetyczny

Witamina B3 i komórkowy metabolizm energii

Neurogeneza

Sirtuiny

Witamina C

Dehydroepiandrosteron (DHEA)

Hormon wzrostu i insulinopodobny czynnik wzrostu

Ekscytotoksyczność

Podsumowanie

Przedmowa

I przeminęło. I kropka.

Znów piszę wciąż nie na temat –

człowiek, którego nie spotkasz.

Człowiek, którego już nie ma…

Krzysztof Maria Sieniawski

Tajemniczy i dotychczas mało poznany mózg ludzki od wieków przyciągał zainteresowanie, a czasem nawet stawał się pasją rzesz badaczy na całym świecie. Dzięki nim poznaliśmy kolejne tajemnice budowy i funkcjonowania tego niezwykłego narządu. Mimo to tajemnicze życie ludzkiego mózgu skrywa jeszcze wiele zagadek. Pozostaje nią, między innymi, dlaczego starzeje się i umiera mózg? Gdy czterdzieści lat temu rozpoczynałem swoją przygodę naukową z mózgiem, nawet nie marzyłem, że kiedykolwiek uda mi się zbliżyć do tej odpowiedzi. Jednak życie pisze różne scenariusze, pełne nieprzewidywanych zwrotów akcji.

Temat przewodni książki nasunął się sam; moja siostra zachorowała na chorobę Parkinsona. Nic tak nie irytuje neurofizjologa, jak stwierdzenie „choroba neurologiczna o nieznanej etiologii”. Mając więc wątek przewodni, zacząłem analizować wszystkie publikacje ukazujące się na świecie na temat etiologii chorób neurodegeneracyjnych. Ta wiedza, w zestawieniu z doświadczeniami wyniesionymi z pracy w najlepszych światowych laboratoriach naukowych, pozwoliła mi usystematyzować moją dotychczasową wiedzę na temat starzenia się mózgu. Wiedzę tę zebrałem i przedstawiłem w serii artykułów w czasopismach międzynarodowych. Niestety, mimo olbrzymiej satysfakcji, pozostał mi wielki niedosyt, że publikacje anglojęzyczne mają niewielki wpływ na wiedzę polskich studentów. W ostatnich latach wytworzyła się olbrzymia przepaść pomiędzy naszą rodzimą nauką a tym co się dzieje na świecie. Wystarczy wpisać w wyszukiwarkach internetowych dowolne hasło z neurobiologii i porównać wynik oferowany na polskich stronach z jego anglojęzycznym odpowiednikiem. Ta przepaść zmusiła mnie do podjęcia kolejnego wyzwania, czyli napisania podręcznika w języku polskim, który byłby przydatny dla lekarzy, studentów, a także osób zainteresowanych tą wiedzą. Od tego przecież zależy postęp w nauce. Ponadto, każdy dzień przynosi kolejne ciekawe odkrycia na temat fizjologii i patofizjologii mózgu. Taką wiedzę należy systematyzować i przedstawiać w zrozumiałej formie.

Dzisiaj w ręce Czytelników przekazuję kompendium wiedzy na temat funkcjonowania i starzenia się mózgu. Pragnę w tym miejscu podziękować moim nauczycielom i mentorom, którzy ukształtowali moje poglądy i wpoili we mnie wiedzę na temat mózgu. Zacznę przede wszystkim od moich wielkich opiekunów i przyjaciół z Zakładu Neurofizjologii: Czesławy Dobrzeckiej, Tomasza Werki i mojego nieocenionego „anioła stróża” – profesora Bogdana Sadowskiego. To profesor Sadowski do końca i w najtrudniejszych chwilach wspierał mnie swoją wiedzą, doświadczeniem, a nawet pracą w wykonywaniu doświadczeń nad fizjologią lęku. Dziękuję doktorowi Geraldowi Loebowi, który w trakcie mojej pracy w Narodowych Instytutach Zdrowia w Stanach Zjednoczonych nauczył mnie rozumieć układ motoryczny mózgu. Były to najważniejsze trzy lata mojej pracy naukowej, które ukształtowały moje poglądy. Kolejne podziękowania należą się doktorowi Danielowi Alkonowi i kolegom z Pracowni Systemów Neuronalnych Instytutu Chorób Neurologicznych i Udarów w Rockville w stanie Maryland. To ich zespół nauczył mnie fizjologii pamięci i prawdziwej elektrofizjologii na skrawkach mózgu. Kolejny radykalny zwrot w mojej przygodzie z układem nerwowym związany jest z pracą w Laboratorium Zachowań Motorycznych Uniwersytetu Stanu Wisconsin w Madison. Tam profesor George Stelmach obdarzył mnie zaufaniem i pozwolił na rozpoczęcie nowatorskich badań nad stabilnością postawy u osób starszych oraz pacjentów z chorobą Parkinsona. Za to mu serdecznie dziękuję. Czuję się w obowiązku podziękować moim współpracownikom z Instytutu Geriatrii Uniwersytetu Sherbrooke w Kanadzie. Wyrazy wdzięczności należą się także profesorom: Mikihiko Tokuriki z Uniwersytetu Yamaguchi w Japonii i Aharoniemu Lev-Tov z Hebrew University w Jerozolimie. Szczególne podziękowania kieruję do moich studentów z Wydziału Fizjoterapii AWF w Katowicach, którzy ze stoickim spokojem wysłuchiwali moich wykładów na temat funkcjonowania mózgu i nie tylko. Każdy z tych wykładów uczył mnie pokory wobec mojej niewiedzy oraz mobilizował do rozumienia wszystkiego, nawet samego siebie.

Mojej żonie Marii

Wykaz najważniejszych skrótów

ADP – adenozynodifosforan

AIF – (apoptosis-inducing factor) – czynnik indukujący apoptozę

ATP – adenozynotrifosforan

BDNF – (brain-derived neurotrophic factor) – czynnik neurotroficzny pochodzenia mózgowego

FGF – (fibroblast growth factor) – czynnik wzrostu fibroblastów

FSI – (fast spiking interneurons) – wysokoaktywne interneurony prążkowia

GABA – kwas γ-aminomasłowy

GDNF – (glial cell derived neurotrophic factor) – czynnik neurotroficzny pochodzenia glejowego

GFAP – (glial fibrillary acidic protein) – kwaśne białko włókienkowe

GH – (growth hormone) – hormon wzrostu

GLUT – (glucose transporter) – transporter glukozy

IGF-1 – (insulin-like growth factor 1) – insulinopodobny czynnik wzrostu 1

IRS-1 – (insulin receptor substrate 1) – substrat 1 receptora insuliny

MCT – (monocarboxylate transporter) – transporter monokarboksylowy

MPP+ – (neurotoxin 1-methyl-4-phenylpyridinium) – neurotoksyna 1-metylo-4-fenylopirydynium

NAD – dinukleotyd nikotynamidoadeninowy

NADP – fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego

NAMPT – (nicotinamide phosphoribosyltransferase) – fosfororybozydotransferaza nikotynamidu

MAPK – (mitogen-activated protein kinase) – kinaza białkowa aktywowana mitogenami

NMDA – kwas N-metylo-D-asparaginowy

NMN – mononukleotyd nikotynamidu

NMNAT2 – (nicotinamide mononucleotide adenylyltransferase 2) – adenililotransferaza mononukleotydu nikotynamidowego 2

NR – rybozyd nikotynamidu

PARP1 – (poly(ADP-ribose) polymerase 1) – polimeraza 1 poli(ADP-rybozy)

ROS – (reactive oxygen species) – reaktywne formy tlenu

SIRT – sirtuina

SVCT – (sodium-dependent vitamin C transporter) – kotransporter sodu i witaminy C

SVZ – (subventricular zone) – neurogenna strefa podkomorowa

ROZDZIAŁ 1

Mózg nieznany

Fenomen życia

Mózg od zawsze był dla człowieka źródłem fascynacji i inspiracji.

Nic więc dziwnego, że współczesna nauka poświęca tak wiele uwagi badaniu procesów zachodzących w żywych organizmach. Pod tym względem mózg jako „kontroler życia” jest szczególnie interesujący, ponieważ stanowi najbardziej skomplikowany naturalny system sterowania, z jakim przyszło się zmierzyć współczesnej nauce. Charakteryzuje go niezwykle rozbudowana architektura połączeń anatomicznych i funkcjonalnych, których szczegóły dopiero teraz zaczynamy dostrzegać.

Wyniki licznych badań naukowych prowadzonych na całym świecie dostarczają nam codziennie nowych informacji i hipotez na temat funkcjonowania mózgu. Niestety, ze względu na niezwykłą złożoność projektu zatytułowanego „mózg”, często są to informacje sprzeczne lub nieprzystające do siebie. Przyczyna tego zjawiska jest nader prosta. Neurobiolodzy, koncentrując się na drobnych, wyrwanych z kontekstu szczegółach, zazwyczaj tracą z pola widzenia perspektywę funkcjonowania mózgu i w rezultacie pogrążają się w chaosie przypadkowych zdarzeń. Taka zredukowana perspektywa postrzegania mózgu skutkuje często przypadkowością wyników badań eksperymentalnych. Ponadto nasze obecne rozumienie mózgu jest pochodną współczesnych metod badawczych, których trafność i rzetelność nieraz budzą wątpliwości. Zatem, najważniejszym wyzwaniem współczesnej neurobiologii jest integracja i osadzenie wyników poszczególnych badań w realiach zjawisk składających się na fenomen życia i fenomen ludzkiego mózgu.

Żeby zrozumieć mózg i nadać temu jakiś sens, musimy zadać sobie fundamentalne pytanie: Jaki jest cel naszego życia? W odpowiedzi znajdziemy podstawowy algorytm funkcjonowania mózgu.

Definicja życia stanowiła i nadal stanowi nie lada wyzwanie dla naukowców i filozofów. Głównie dlatego, że życie jest niezwykłym zjawiskiem złożonym z wielu procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych.

1. Z perspektywy biofizyki, żywe organizmy to systemy termodynamiczne o zorganizowanej strukturze molekularnej, które mogą ewoluować i powielać się.

2. Dla biochemików życie jest samowystarczalnym systemem procesów chemicznych kontrolowanym przez parametry środowiska.

3. Z biologicznego punktu widzenia jest ono swoistym testem przystosowania do środowiska, zarówno związanego z ekosystemem, jak i środowiska społecznego oraz kulturowego, w którym to teście nagrodą jest zdolność reprodukcyjna – zdolność do tworzenia i wychowania kolejnych pokoleń dobrze przystosowanych osobników.

Najpełniejszy opis życia znajduje się gdzieś między wspomnianymi definicjami, których autorzy określają siebie, używając zazwyczaj przedrostka „bio”. Nie oznacza to jednak, że ich poglądy zawsze dają się przetłumaczyć na prosty język. Dla przykładu, biofizycy uważają, że żywe istoty działają na ujemnej entropii, co oznacza, że procesy życiowe powinny być postrzegane jako kontrolowane rozproszenie wewnętrznej energii zespołów cząsteczek biologicznych. Żywe organizmy to systemy otwarte, które posiadają zdolność do przejściowego zmniejszenia wewnętrznej entropii kosztem substancji i energii pobieranej ze środowiska, a następnie odrzuconej w zdegradowanej formie. Systemy te są utrzymywane przez strumienie informacji, energii i materii, a każdy z tych strumieni wnosi swój niepowtarzalny wkład w metabolizm mózgu.

Metabolizm to ogół reakcji chemicznych, fizycznych i biologicznych zachodzących w organizmie, z wykorzystaniem energii wewnętrznej oraz substancji energetycznych czerpanych z pożywienia. Reakcje te przebiegają w sposób ciągły – nieprzerwanie przez całe życie – a ich prawidłowość i wydajność decydują o dynamice procesów życiowych.

Wszystkie reakcje wymagają stabilnych warunków fizykochemicznych środowiska wewnętrznego organizmu, które określamy terminem homeostaza. Zbudowane z komórek organizmy cechuje zdolność do utrzymania homeostazy tylko w ograniczonym zakresie zmian środowiska. W trakcie rozwoju osobniczego, od niemowlęctwa do późnej starości, środowisko wewnętrzne ulega zmianom regulowanym poprzez systemy hormonalne oraz samo środowisko naturalne. W dzieciństwie i młodości organizm uczy się swojego środowiska i wówczas ustalane są akceptowalne zakresy zmian środowiska, pozwalając na optymalne przystosowanie organizmu. W konsekwencji organizmy ludzkie mogą optymalnie reagować na bodźce wewnętrzne oraz środowiskowe. Dzięki temu mogą rosnąć i rozwijać się, dostosowując się do otoczenia.

Oprócz rozwoju fizycznego zmienia się także nasza świadomość. Procesy poznawcze w różnych okresach mają różną dynamikę, a ich maksimum przypada właśnie na okres dzieciństwa i młodości. W tej fazie rozwoju organizm przystosowuje się do środowiska pod względem biologicznym, obejmującym procesy budowania odporności, tworzenia bakteryjnych barier biologicznych, nabywania preferencji pokarmowych itp. Jednocześnie organizm dziecka uczy się złożonych związków przyczynowo-skutkowych, relacji społecznych pozwalających mu na przetrwanie.

Procesy poznawcze umożliwiają zbudowanie w mózgu egocentrycznej reprezentacji samego siebie oraz otaczającego nas świata. Dzięki temu powstaje świadomość: „ja, tu i teraz”.

Dzięki świadomości nasze życie jest kreowane poprzez procesy motywacyjno-emocjonalne pozwalające dostosować się do środowiska społecznego opartego na wymianie informacji, która u człowieka przybiera rozbudowaną formę metabolizmu informacyjnego. Na świadomość i osobowość składa się ciąg doświadczeń życiowych, których tylko część była naszym świadomym wyborem. Koloryt i znaczenie tym zdarzeniom nadaje system emocjonalno-motywacyjny naszego mózgu, który również zmienia się przez całe życie.

Dwie proste motywacje:

- nagroda,

- lęk,

ustalają nasze relacje z otoczeniem. Tak dzieje się przez całe życie, którego skończony wymiar czasowy nadaje ostateczny sens naszym zdolnościom i potrzebom adaptacyjnym. Przemijanie i śmierć otwiera przestrzeń następnym pokoleniom – przystosowanych ludzi.

W młodości, o ile mieliśmy szczęście urodzić się w normalnej rodzinie, nasze indywidualne zdolności przystosowawcze i nastawienia społeczne mają znak dodatni – można je nazwać postawą „do życia”. Cechuje ją poczucie bezpieczeństwa, ciekawość poznawcza oraz duże zdolności adaptacyjne. Tym wszystkim w mózgu zawiaduje układ nagrody, związany z ośrodkami kontrolowanymi przez neuroprzekaźniki, głównie: dopaminę, oksytocynę, serotoninę i endorfiny. Przeciwnie, psychikę dzieci niekochanych i odrzuconych charakteryzuje nadmiar lęku, kreujący postawę „od” – taką psychikę cechuje uogólniona dysfunkcja układu nagrody, a za tym idą bardzo ograniczone zdolności poznawcze i adaptacyjne.

Co ciekawe, nie tylko metabolizm informacyjny i procesy psychiczne ustalają poziom lęku. Życie jest przede wszystkim procesem przemian energetycznych.

Dla mózgu każde zachwianie równowagi energetycznej stanowi potencjalne zagrożenie, na które odpowiada stresem i wzmożonym poczuciem lęku.

Przy niewielkim deficycie energii, stres działa mobilizująco, motywując organizm do zaspokojenia głodu lub zredukowania wydatków energetycznych poprzez obniżenie aktywności. Przekroczenie dopuszczalnej granicy bezpieczeństwa energetycznego wymusza ograniczenie wszelkiej aktywności fizycznej. Taka zredukowana aktywność życiowa jest typowa dla stanów depresyjnych. Podwyższony poziom lęku oraz stany depresyjne występują często u osób starszych, co sugeruje, że kryzys psychiczny w wieku podeszłym może mieć podłoże metaboliczne. Wszystkie te procesy są kontrolowane przez mózg na podstawie sygnałów sensorycznych oraz hormonalnych.

O ile w warunkach fizjologicznych procesy metaboliczne są zaprogramowane i przewidywalne, o tyle najwyższa forma interakcji z otoczeniem – metabolizm informacyjny i tworzona przez niego świadomość – są w dużej mierze nieprzewidywalne.

Złożony proces ludzkiej interakcji ze środowiskiem oraz jej oddziaływanie na nasz mózg, a zwłaszcza pamięć, wybitny polski psychiatra, profesor Antoni Kępiński, nazwał metabolizmem informacyjnym. Obecnie dostrzegamy podstawowe formy metabolizmu informacyjnego już na poziomie komórkowym. Wywiera on bezpośredni wpływ na mózg, tkankę kostną i mięśniową, które poza tym oddziałują wzajemnie na siebie, tworząc złożoną synergię życia. Okazało się, że nasz mózg i jego funkcjonowanie zależą również od komunikacji pozaneuronalnej. Na przykład system mięśniowo-kostny poprzez jony wapnia, fosforany oraz cytokiny, uwalniane w trakcie aktywności ruchowej, wywiera istotny wpływ na funkcjonowanie mózgu. Niewątpliwie największe znaczenie w funkcjonowaniu organizmu ma synergia systemowa integrująca, za pośrednictwem dedykowanego układu nerwowego, wymianę sygnałów ze wszystkich narządów i na wszystkich poziomach, z poziomem komórkowym włącznie.

Mózg, pełniąc funkcję uniwersalnego kontrolera całego organizmu, pozostaje jednocześnie jego integralną częścią. W takim ujęciu, realizacja wszystkich procesów życiowych kontrolowanych przez mózg zależy przede wszystkim od metabolizmu energii, czyli pozyskiwania i przetwarzania energii zawartej w substancjach pokarmowych.

Zrównoważony bilans energetyczny, czyli równowaga między ilością energii pobieraną ze środowiska a zużywaną na podtrzymanie podstawowej (spoczynkowej) aktywności tkanek i narządów, jest głównym warunkiem prawidłowego funkcjonowania mózgu i całego organizmu.

Trzeba jednak podkreślić, że głównym narzędziem do realizacji naczelnych zadań organizmu jest aktywność ruchowa. Ruch zmienia bilans energetyczny. W czasie wzmożonej aktywności motorycznej mięśnie szkieletowe stają się głównymi konsumentami energii organizmu, uszczuplając zasoby energii przeznaczone dla najbardziej energochłonnych narządów: mózgu, wątroby, nerek oraz jelit. Zatem, nawet w zdrowych, w pełni wydolnych organizmach występuje w trakcie niektórych form aktywności konflikt energetyczny, którego częściowym rozwiązaniem jest optymalizacja zużycia energii.

Problem optymalizacji energetycznej występuje najwyraźniej w mózgu.

Newralgiczną rolę w kontroli fizjologii komórek nerwowych odgrywa synergia funkcjonalno-metaboliczno-troficzna. Najłatwiej zdefiniować ją jako współdziałanie i dostosowanie wszelkich procesów metabolicznych do poziomu aktywności nerwowej i odwrotnie. Jej funkcjonowanie można dostrzec, analizując procesy bioelektryczne i metabolizm energii na poziomie komórkowym. Aktywność neuronów inicjują impulsy bioelektryczne nazywane potencjałami czynnościowymi. Te krótkie, trwające zaledwie 1 milisekundę impulsy mają dwa podstawowe cele:

- przekazanie informacji o aktywności danej sieci nerwowej;

- wyzwolenie w każdym neuronie ciągu procesów biochemicznych.

Ciąg reakcji obejmuje metabolizm energii niezbędnej dla przebiegu wszystkich procesów komórkowych – od glikolizy, aż po oddychanie komórkowe.

Kolejnym istotnym elementem neuronalnego metabolizmu komórkowego jest uwolnienie mediatorów oraz przywrócenie homeostazy. W prawidłowo funkcjonujących neuronach cały cykl reakcji biochemicznych powinien zamknąć się w ograniczonym czasie, nazywanym okresem refrakcji.

Impulsy czynnościowe docierające do połączeń synaptycznych uwalniają w nich sygnały chemiczne, których wartość i znaczenie określają rodzaj i stężenie uwalnianych neurotransmiterów czy neuromodulatorów. Procesy synaptyczne, w tym uwalnianie, a następnie neutralizacja mediatorów oraz ponowne odtworzenie puli pęcherzyków synaptycznych, należą do najbardziej obciążających energetycznie procesów komórkowych. Na podstawie tych sygnałów w mózgu powstają informacje, odpowiednio na temat działających na organizm bodźców, naszego otoczenia oraz stanu środowiska wewnętrznego organizmu. Na tym poziomie funkcjonowania mózgu większość informacji przetwarzana jest bez udziału świadomości. Takie ograniczenie aktywności obszarów świadomości w mózgu pozwala na zaoszczędzenie energii zużywanej przez sieci korowe charakteryzujące się znaczną liczebnością połączeń synaptycznych. Jedynie sygnały ważne, np. o dużym natężeniu, bądź bodźce nieznane czy stanowiące potencjalne zagrożenie dla organizmu, kierowane są do świadomej oceny. W ten sposób informacje z dedykowanych sieci nerwowych są integrowane, by dotrzeć do poziomu kory mózgowej i tym samym pozwolić na podjęcie świadomych decyzji.

Już zgrubna ocena schematów funkcjonowania mózgu ujawnia istnienie dwóch, ściśle ze sobą powiązanych procesów:

- metabolizmu informacyjnego,

- metabolizmu energii.

Obydwa procesy mają decydujący wpływ na funkcjonowanie oraz procesy starzenia się mózgu. Procesy analizy i przetwarzania informacji w mózgu stymulują procesy metaboliczne wpływające na jakość sieci nerwowych – ich trwałość i wydajność. Z kolei każde obniżenie metabolizmu informacyjnego wywołuje zaburzenie procesów metabolicznych i homeostazy, których konsekwencją jest stopniowa redukcja sieci nerwowych, aż po całkowite ich zniszczenie. Kluczową rolę w tym procesie odgrywa kontrolowana metabolizmem degradacja połączeń synaptycznych oraz programowana śmierć komórek nerwowych.